JP4509457B2 - 放電加工用電源装置 - Google Patents
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Description
この発明は、放電加工用電源装置に関し、特に、半導体スイッチング素子を使用して間欠的なパルス電流を発生するトランジスタ式の放電加工用電源装置に関するものである。
背景技術
加工液を介して電極と被加工物との間に形成される加工間隙に、間欠的なパルス電流を供給し、数値制御によって前記電極と被加工物との相対位置を制御しながら放電加工を行なう放電加工機用の電源装置として、オン・オフ動作を繰り返す半導体スイッチング素子によって間欠的なパルス電流を発生するトランジスタ式の放電加工用電源装置が知られている。
この種の放電加工用電源装置の従来例を、第7図(a)、(b)を参照して説明する。なお、第7図(a)は、放電加工用電源装置の回路構成を示しており、第7図(b)は、それの駆動制御系を示している。
放電加工用電源装置は、被加工物Wと電極Eとに、パルス電流を供給するスイッチング回路として、互いに並列に接続された第1のスイッチング回路20と第2のスイッチング回路30とを有している。
第1のスイッチング回路20は、直流電源V21と、FET等による半導体スイッチング素子S21、S22、S23、S24と、電流制限用の抵抗器R21とにより構成されている。第2のスイッチング回路30は、直流電源V31と、半導体スイッチング素子S31、S32と、ダイオードD31、D32とにより構成されている。
なお、第7図(a)にて、L21、L22、L31、L32は回路中の浮遊インダクタンスを、C11は回路中の浮遊容量をそれぞれ示している。
放電加工用電源装置の駆動制御系は、放電検出回路31と、発振制御回路32と、上述した第1のスイッチング回路20の半導体スイッチング素子S21、S22、S23、S24を駆動制御するドライブ回路33と、上述した第2のスイッチング回路30の半導体スイッチング素子S31、S32を駆動制御するドライブ回路34を有している。
つぎに、動作について説明する。電極Eと被加工物Wとの間(以下、極間と称す)が、放電、短絡していない状態において、スイッチング素子S22、S23をオフとし、スイッチング素子S21、S24を同時にオンすると、直流電源V21の電圧が極間に現れる。同時に、回路中の浮遊容量C11は直流電源V21の電圧まで充電される。極間に放電が発生するように、電極Eと被加工物Wとの間の距離は、図示していない数値制御装置とサーボ駆動制御装置により制御される。直流電源V21の出力電圧によって極間に放電が発生すると、まず、回路中の浮遊容量C11に蓄電されていた電荷が極間にコンデンサ放電され、放電開始電流ICが流れる。これにより極間には導電路が形成される。
この導電路を維持しておくためには、回路中の浮遊容量C11の電荷が放電しきった後も極間に電流を流し続けておかなければならないので、スイッチング素子S21とS24は、オンしたままにしておく。
直流電源V21からは、抵抗器R21、スイッチング素子S21、回路インダクタンスL21、被加工物W、電極E、回路インダクタンスL22、スイッチング素子S24、直流電源V21へと放電維持電流IRが流れ、極間に形成された導電路が維持される。このとき、放電維持電流IRは、抵抗器R21を通して流れるので、放電維持電流IRの最大値は抵抗器R21によって、IR(max)=V21/R21に制限される。
したがって、この放電維持電流IRは比較的電流値が小さく、加工エネルギとしても弱いため、後述する大電流の放電加工電流ISを流すための予備放電電流の役割を持つ。
また、上述した動作は、スイッチング素子S21、S24をオフとし、スイッチング素子S22、S23を同時にオンすることにより、極間に対して出力電圧、出力電流の極性を逆転するパターンでも行われる。
放電維持電流IRは放電発生と同時に極間に現れてくる電流であるが、放電発生を検知してから極間に流そうとする大電流の放電加工電流ISは、後述のように最初の放電発生から、ある時間遅れて極間に出力されることになる。
放電検出回路31は、極間に放電が発生したことによって極間電圧が低下したことを検出し、発振制御回路32に大電流出力の指令を行なう。発振制御回路32は、極間の加工状態によって設定する時間幅のパルス信号をドライブ回路34へ出力する。ドライブ回路34は発振制御回路32で設定されている時間幅分だけスイッチング素子S31、S32を同時にオン駆動する。
スイッチング素子S21、S24、S31、S32がすべてオン状態になると電圧の異なる複数の直流電源が接続された回路を形成することになり、サージ電圧を含む電位差により回路中の素子を破壊してしまう危険が考えられることから、スイッチング素子S31、S32をオンするときには、安全策としてスイッチング素子S21、S24をオフするようにする。
スイッチング素子S31、S32が同時にオンすることにより、直流電源V31からはスイッチング素子S31、回路インダクタンスL31、被加工物W、電極E、回路インダクタンスL32、スイッチング素子S32、直流電源V31へと大電流の放電加工電流ISが流れる。
発振制御回路32からのパルス信号出力が無くなると、駆動回路34はスイッチング素子S31、S32をオフ駆動する。放電加工電流ISは、回路インダクタンスL31、L32の誘導作用により、回路中を流れ続けようとするが、ダイオードD32、回路インダクタンスL31、被加工物W、電極E、回路インダクタンスL32、ダイオードD31、直流電源V31へと帰還、回生される。
第8図は、上述した動作によって得られる従来装置での放電加工電流の波形と各制御信号の出力タイミングを示している。第8図において、VWEは極間電圧、ICは回路中の浮遊容量C11のコンデンサ放電による放電開始電流、IRは第1のスイッチング回路20から出力される放電維持電流、ISは第2のスイッチング回路30から出力される放電加工電流、PKは放電検出出力信号、PCは発振制御出力信号、PDは半導体スイッチング素子のドライブ信号、IWEは極間電流をそれぞれ示している。
極間に放電が発生した瞬間には、回路中の浮遊容量C11のコンデンサ放電による放電開始電流ICが極間に現れる。極間に放電が発生した後も、第1のスイッチング回路20のスイッチング素子S21、S24はオンしており、放電開始電流ICによって極間に導電路が形成された瞬間から、第1のスイッチング回路20から放電維持電流IRが極間に出力し始める。
放電維持電流IRは、回路中のインダクタンスL21、L22を通して極間に出力されるので、瞬時には立ち上らず、V21/(L21+L22)の傾きを持って流れ始める。なお、放電維持電流IRは前述したように抵抗器R21によって制限されるため、最大値IR(max)=V21/R21以上にはならない。スイッチング素子S21、S24は、第2のスイッチング回路30のスイッチング素子S31、S32がオンするまでにオフとするので、放電維持電流IRは、この時点まで出力される。
一方、極間電圧VWEは、放電が発生したことにより放電電圧Vaまで低下するため、放電検出回路31はこれを検出して放電検出信号PKを出力する。但し、放電発生を検知するまでの遅れ時間や信号出力のための時間がかかるため、放電検出信号PKは放電発生の瞬間から遅れ時間tk後に出力される。
発振制御回路32は放電検出信号PKを受けて発振制御信号PCを出力するが、ここでも同様に遅れ時間tcが発生する。また、同様に、ドライブ回路の出力信号PDにも遅れ時間td、スイッチング素子自体にも遅れ時間tsが発生する。したがって、放電加工電流ISは、放電発生時点toからtk+tc+td+ts=tr後に極間に現れる。放電加工電流ISは、第2のスイッチング回路30から回路インダクタンスL31、L32を通して出力される電流であり、放電維持電流IRと同様に瞬時には立ち上らず、V31/(L31+L32)の傾きを持ってスイッチング素子S31、S32がオンしている期間中上昇し続ける。通常は、直流電源V31の電圧の方が直流電源V21の電圧よりも2〜3倍程度高いので、放電加工電流ISの立ち上がりの傾きは放電維持電流IRの立ち上がりの傾きよりも急峻になる。
スイッチング素子S31、S32がオフすると、放電加工電流ISは下降に転じる。極間電流IWEは、IWE=IC+IR+ISであり、最初の放電開始電流ICと、最終的な大電流の放電加工電流ISとの時間差の間を、第1のスイッチング回路20から出力される放電維持電流IRで繋げることにより、極間電流IWEが途切れることなく、極間の放電状態を維持しながら繰り返し放電加工が行われる。
しかしながら、上述した従来の放電加工用電源装置では、放電維持電流IRの上限値が抵抗器R21で制限されていることや、回路中のインダクタンスL21、L22によって過渡状態の初期の段階では電流値が低いために、放電発生後に形成された極間の導電路が維持できず、放電加工電流ISの投入に失敗することがある。特に、大型の放電加工機では、電源装置と機械本体の極間との距離が長くなり、その間を結ぶ給電ケーブルの長さも長くなるため、回路中のインダクタンスが大きくなり、放電開始電流ICが消滅した後も、放電維持電流IRが立ち上がってこない場合があり、極間に形成されていた導電路が絶たれてしまう。
また、抵抗器R21においても抵抗巻線によるインダクタンス成分が存在し、必要な抵抗値を得るために、結果的に抵抗器のインダクタンスが大きくなる場合には、さらに放電維持電流IRの立ち上がりを妨げる影響を及ぼす。
また、最初の放電開始電流ICはコンデンサ放電による電流であり、実際には振動成分を含んでいるので、予め放電維持電流IRの最大値を多少大きくしていたとしても、この振動の負側の成分によって放電維持電流IRが相殺されて、極間に形成されていた導電路が絶たれてしまうこともある。
このように、放電加工電流ISを投入する以前に放電開始電流ICによって確保された極間の導電路が絶たれてしまうと、予備放電電流によって安定して放電加工電流ISを極間に供給するという作用が得られないので、放電加工においては様々な障害が発生する。
極間の導電路が絶たれている状態では、第2のスイッチング回路電源装置30の出力が開放状態であるので、放電加工電流ISが流れず、この場合には、正常な放電加工が行なわれない。このような状態が発生する頻度が高くなると有効な放電回数が低下してしまい、本来得られるはずの加工速度が得られなかったり、それ以上の加工速度の向上を図ることができなくなってしまう問題がある。
また、直流電源V31の電圧は短時間に大電流を出力するために、通常は直流電源V21の電圧よりも2〜3倍程度高くしてあるが、極間に導電路がなく、開放状態となった場合は、この直流電源V31の高電圧が極間に印加された状態となり、この高電圧によって新たに放電を発生させて予備放電なく突然大電流を極間に流すことになる。すると、電極Eがワイヤ電極のような細い電極の場合にはワイヤ電極が断線してしまったり、電極に断線が発生しなくても加工面が粗くなって加工精度が悪化する原因となり、安定した放電加工特性を得ることができない等の問題が生じる。
上述のような問題については、日本国特許公報(特公平5−9209号)に開示されたワイヤカット放電加工装置用電源においても同様な指摘がされており、そこでは、インダクタンスとコンデンサを直列接続した回路を極間と並列に設けることにより放電発生後の極間の導電路を維持し、放電状態を安定に持続させ、加工効率の低下を防止している。
しかしながら、この場合では、結果的に極間に余分なコンデンサを付加するので、たとえば、電源装置側からみた電気容量は回路中の浮遊容量と合せて増大してしまい、出力電圧を極間に印加した際の立ち上がり時定数が大きくなり、極間電圧の立ち上がりが遅くなってしまう。
このため、放電発生させるまでの電圧印加時間が長くなり、有効な放電回数が減少するために加工効率が充分に向上できない欠点がある。
また、付加するインダクタンスとコンデンサの値により、固有の振動周波数を得ているが、近年の放電加工用電源装置では、極間に印加する電圧の極性を交互に入れ替えて発振出力していく両極性タイプのものが主流となってきており、この場合には、付加されたコンデンサは少なくとも電圧印加の発振周波数によって充放電動作を繰り返すことになる。また、高周波用途のコンデンサであっても、誘電損失は存在するので、電圧印加の発振周波数に制限を加えるだけでなく誘電損失による発熱も伴い、供給エネルギの損失も発生してしまうと云う問題が生じる。
従って、この発明は、放電加工における予備放電から加工電流投入までの遅れ時間の期間中、極間に形成された導電路を消滅させることなく安定に維持し、放電加工電流の投入失敗や、電極、被加工物への不要な損傷をなくし、放電加工の効率と品質を向上することのできる放電加工用電源装置を提供することを目的としている。
発明の開示
この発明は、それぞれ並列に接続された第1のスイッチング回路と第2のスイッチング回路を備え、電極と被加工物との間の極間間隙に先ず前記第1のスイッチング回路から、つぎに、前記第2のスイッチング回路からパルス電流を供給し、前記電極と被加工物との相対位置を制御しながら放電加工を行う放電加工機用の電源装置において、放電を発生させるための電圧を出力すると同時またはそれ以前に、ダイオードに順方向電流が供給されるダイオードと抵抗器を含む電流ループを有し、放電が発生した瞬間に前記ダイオードに対する順方向電流の供給が遮断され、前記ダイオードの逆回復電流を電極と被加工物との間の極間間隙に出力する放電加工用電源装置を提供することができる。
したがって、放電が発生した瞬間に、ダイオードの逆回復電流を第2のスイッチング回路によって出力される加工電流よりも先に電極と被加工物との間の極間間隙に出力することができ、放電加工における予備放電から加工電流投入までの遅れ時間の期間中、極間に形成された導電路を消滅させることなく安定に維持できる。
また、この発明は、前記ダイオードに対する順方向電流の供給遮断を行う半導体スイッチング素子を有する電加工用電源装置を提供することができる。したがって、半導体スイッチング素子のオン・オフによってダイオードに対する順方向電流の供給遮断を行い、放電が発生した瞬間に、ダイオードの逆回復電流を第2のスイッチング回路によって出力される加工電流よりも先に電極と被加工物との間の極間間隙に出力することができ、放電加工における予備放電から加工電流投入までの遅れ時間の期間中、極間に形成された導電路を消滅させることなく安定に維持できる。
また、この発明は、放電が発生した瞬間に前記ダイオードの両端に逆方向の電圧がかかる回路構成とされ、このときに発生するダイオードの逆回復電流を電極と被加工物との間の極間間隙に出力する放電加工用電源装置を提供することができる。したがって、放電が発生した瞬間にダイオードの両端に逆方向の電圧がかかり、放電が発生した瞬間に、ダイオードの逆回復電流を第2のスイッチング回路によって出力される加工電流よりも先に電極と被加工物との間の極間間隙に出力することができ、放電加工における予備放電から加工電流投入までの遅れ時間の期間中、極間に形成された導電路を消滅させることなく安定に維持できる。
また、この発明は、前記ダイオードが並列、もしくは直列に複数設けられている放電加工用電源装置を提供することができる。したがって、ダイオードの並列接続個数、直列接続個数を必要とされる逆回復電流の電流値に応じて適正値に設定することができる。
また、この発明は、前記ダイオードに順方向電流を供給する直流電源は前記第1のスイッチング回路あるいは前記第2のスイッチング回路を構成する直流電源以外に、別の直流電源が設けられている放電加工用電源装置を提供することができる。したがって、第1のスイッチング回路あるいは第2のスイッチング回路を構成する直流電源以外の直流電源によりダイオードに順方向電流が供給される。 また、この発明は、前記ダイオードの順方向電流は、前記第1のスイッチング回路の直流電源から供給されるよう回路構成されている放電加工用電源装置を提供することができる。したがって、第1のスイッチング回路を構成する直流電源によりダイオードに順方向電流が供給される。
また、この発明はそれぞれ並列に接続された第1のスイッチング回路と第2のスイッチング回路を備え、電極と被加工物との間の極間間隙に先ず前記第1のスイッチング回路から、つぎに、前記第2のスイッチング回路からパルス電流を供給し、前記電極と被加工物との相対位置を制御しながら放電加工を行う放電加工機用の電源装置において、放電を発生させるための電圧を出力すると同時またはそれ以前にコンデンサを充電する、コンデンサと抵抗器を含む電流ループを有し、放電が発生した後に前記コンデンサからの放電電流を前記第2のスイッチング回路によって出力される加工電流よりも先に電極と被加工物との間の極間間隙に出力するよう構成されている放電加工用電源装置を提供することができる。
したがって、放電が発生した後にコンデンサからの放電電流を第2のスイッチング回路によって出力される加工電流よりも先に電極と被加工物との間の極間間隙に出力することができ、放電加工における予備放電から加工電流投入までの遅れ時間の期間中、極間に形成された導電路を消滅させることなく安定に維持できる。
発明を実施するための最良の形態
本発明をより詳細に説述するために、添付の図面に従ってこれを説明する。
第1図は、この発明による放電加工用電源装置の実施の形態1の回路構成を示している。放電加工用電源装置は、被加工物Wと電極Eとに、パルス電流を供給するスイッチング回路として、並列に接続された第1のスイッチング回路1と第2のスイッチング回路10とを有している。
第1のスイッチング回路1は、直流電源V1、V3と、FET等による半導体スイッチング素子S1、S2、S3、S4、S5と、ダイオードD1、D2と、抵抗器R1、R2とにより構成されている。第2のスイッチング回路10は、直流電源V11と、半導体スイッチング素子S11、S12、ダイオードD11、D12とにより、従来のものと同等に構成されている。なお、第1図にて、L1、L2、L11、L12は回路中の浮遊インダクタンスを、C1は回路中の浮遊容量をそれぞれ示している。
放電加工用電源装置は、第1のスイッチング回路1の半導体スイッチング素子S1〜S4と、第2のスイッチング回路10の半導体スイッチング素子S11、S12のオン・オフ制御により、先ず、第1のスイッチング回路1から電極Eと被加工物Wとの間の極間間隙にパルス電流を供給し、つぎに、第2のスイッチング回路10から電極Eと被加工物Wとの間の極間間隙にパルス電流を供給する。第1のスイッチング回路1のダイオードD1、D2は、互いに並列に接続され、半導体スイッチング素子S5のオン・オフにより、放電を発生させるための電圧を出力すると同時またはそれ以前に、直流電源V3より順方向電流を供給され、抵抗器R2を含む電流ループを、抵抗器R1に対して並列の回路として形成している。そして、半導体スイッチング素子S5のオン・オフにより、放電が発生した瞬間に、ダイオードD1、D2の順方向電流Ifの供給を遮断し、このときに発生するダイオードD1、D2の逆回復電流を、第2のスイッチング回路10によって出力される加工電流よりも先に、電極Eと被加工物Wとの間の極間間隙に出力するようになっている。
ダイオードの逆回復電流を発生する回路は、要約すれば、抵抗器R1に対して並列の回路として、互いに並列に接続されたダイオードD1、D2と、ダイオードD1、D2に対して直列に接続された直流電源V3、抵抗器R1と、直流電源V3、抵抗器R1の直列回路に対して並列に接続されてダイオードD1、D2に対する通電をオン・オフ制御する半導体スイッチング素子S5とにより構成されている。
ここで、一般的なダイオードの逆回復電流の原理について第2図(a)〜(c)を参照して説明する。なお、この現象は、既に公知の現象であるので、ここでは、簡略に説明する。第2図(a)に示されている回路において、スイッチSWをオンすると、ダイオードDには順方向電流Ifが流れる。この状態で、スイッチSWをオフにすると、ダイオードDのスイッチング動作により電流は遮断されようとするが、瞬時には遮断されず、第2図(b)に示されているように、ある時間は逆方向の電流Irrが流れる。これは、ダイオードDのpn接合部に少数キャリアが残留しているためで、この残留キャリアが消滅するまでにかかる時間が逆回復時間trrであり、この間に逆方向に逆回復電荷Qrrが発生する。この作用により、逆回復電流Irrが発生する。逆回復時間trrは、短いものでも50ns程度で、長いものでは100μs程度にもなる。
ダイオードDの逆回復電流Irrは、第2図(c)に示されているような特性を示し、順方向電流Ifの大きさにはあまり依存せず、電流変化率di/dtに大きく影響される。なお、ショットキバリアダイオードの場合は、多数キャリア素子のため、基本的に上述の逆回復現象はないとされている。
つぎに、上述の如き構成による実施の形態1の動作について説明する。極間が放電、短絡していない状態において、第1のスイッチング回路1のスイッチング素子S2、S3、S5をオフとし、スイッチング素子S1、S4を同時にオンすると、直流電源V1の電圧が極間に現れる。同時に、回路中の浮遊容量C1は直流電源V1の電圧まで充電される。
このとき、スイッチング素子S5はオフとしてあり、ダイオードD1、D2には、直流電源V3、抵抗器R2、ダイオードD1、D2、抵抗器R1、直流電源V3へと、順方向電流Ifが流れる。なお、電極Eと被加工物Wとの間の距離は、極間に放電が発生するように、図示されていない数値制御装置とサーボ駆動制御装置により適正値に制御される。直流電源V1の出力電圧によって極間に放電が発生すると、まず、回路中の浮遊容量C1に蓄電されていた電荷が極間にコンデンサ放電され、放電開始電流ICが流れる。これにより極間には導電路が形成される。
この導電路を維持しておくためには、回路中の浮遊容量C1の電荷が放電しきった後も極間に電流を流し続けておかなければならないので、スイッチング素子S1とS4はオン、スイッチング素子S2とS3はオフしたままにしておく。
スイッチング素子S5は、放電発生と同時にオンとする。これにより、ダイオードD1、D2の順方向電流Ifの供給が絶たれ、ダイオードD1、D2には逆回復電流Irrが流れる。この逆回復電流Irrは、ダイオードD1、D2、スイッチング素子S5、スイッチング素子S1、回路インダクタンスL1、被加工物W、電極E、回路インダクタンスL2、スイッチング素子S4、直流電源V1、ダイオードD1、D2へと流れる。すなわち、逆回復電流Irrは極間に出力される。この様子は、第3図に波形IDで示してあるが、極間に対する電流の方向を統一するために、第2図(b)の波形とは極性を逆転させて示している。
この間、スイッチング素子S1とS4はオン、スイッチング素子S2とS3はオフとしているので、直流電源V1からは抵抗器R1、スイッチング素子S1、回路インダクタンスL1、被加工物W、電極E、回路インダクタンスL2、スイッチング素子S4、直流電源V1へと放電維持電流IRが流れる。
したがって、第1のスイッチング回路1からは、IR+Irrの電流が極間に出力されることになる。この出力電流IR+Irrにより、放電開始電流ICによって極間に形成された導電路が維持される。しかし、これらの電流は比較的電流値が小さく、加工エネルギとしても弱いため、後述する大電流の放電加工電流ISを流すための予備放電電流の役割を持つ。
また、上述した動作は、スイッチング素子S1、S4をオフとし、スイッチング素子S2、S3を同時にオンすることにより、極間に対して出力電圧、出力電流の極性を逆転するパターンでも行われる。
第2のスイッチング回路10から出力される放電加工電流ISは、放電発生を検知してから極間に流そうとするために、最初の放電発生からある時間遅れて極間に出力されることになる。すなわち、スイッチング素子S11、S12をオン駆動する以前には、加工状態によりオン時間を設定する演算処理や発振制御、スイッチング素子S1、S2自体の駆動にかかる時間などにより、遅れ時間が存在する。スイッチング素子S1、S4、S11、S12がすべてオン状態になると電圧の異なる複数の直流電源が接続された回路を形成することになり、サージ電圧を含む電位差により、回路中の素子を破壊してしまう危険が考えられることから、スイッチング素子S11、S12をオンするときには安全策としてスイッチング素子S1、S4をオフするようにする。
スイッチング素子S11、S12が同時にオンすることにより、直流電源V11からはスイッチング素子S11、回路インダクタンスL11、被加工物W、電極E、回路インダクタンスL12、スイッチング素子S12、直流電源V11へと大電流の放電加工電流ISが流れる。
設定されたオン時間経過後、スイッチング素子S11、S12はオフするが、回路インダクタンスL11、L12の誘導作用により回路中を流れ続けようとする放電加工電流ISは、ダイオードD12、回路インダクタンスL11、被加工物W、電極E、回路インダクタンスL12、ダイオードD11、直流電源V11へと帰還、回生される。
第3図は、上述した動作によって得られる放電加工電流の波形を示している。第3図において、VWEは極間電圧、ICは回路中の浮遊容量C1のコンデンサ放電による放電開始電流、IDはダイオードD1、D2の電流、ISは第2のスイッチング回路10から出力される放電加工電流、IRは第1のスイッチング回路1から出力される放電維持電流、IWEは極間電流をそれぞれ示している。
放電発生後、放電加工電流ISが極間に現れるまでの遅れ時間は通常400ns程度であり、放電開始電流ICのコンデンサ放電のパルス幅は350ns程度である。この場合、極間電流が途切れてしまう可能性のある期間が50ns程度ある。
しかしながら、ダイオードD1、D2の逆回復電流Irrが発生する時間、すなわち逆回復時間trrは100ns程度以上あるので、放電開始電流IC出力後、放電加工電流ISが現れるまでの遅れ時間の期間中、逆回復電流Irrにより、極間電流が途切れることなく極間に形成された導電路を維持することができる。
また、ここでは、逆回復電流Irrを発生させるダイオードは、ダイオードD1、D2の二つのみであるが、必要な逆回復電流Irrを得るために、それ以上に、多数並列、直列に接続することがてきる。また、極間に現れる極間電流IWEは、IWE=IC+IR+Irr+ISとなり、従来よりも、逆回復電流Irrによって電流波形全体の面積は増加する。これにより、加工エネルギが増加するから、同一の放電周波数で比較すると、加工効率が向上する。
なお、ダイオードD1、D2の逆回復電流Irrによって、放電開始電流ICと放電加工電流ISとの遅れ時間の期間中、極間の導電路を維持することができる範囲であれば、スイッチング素子S11、S12はスイッチング応答時間の遅い素子でもよい。
一般的に、半導体スイッチング素子は、定格容量が大容量になるほどスイッチング応答時間が遅くなる傾向にある。スイッチング応答時間が遅くてもよければ、IGBTやパワーモジュールを使用することができるようになる。IGBTモジュールなどでは、1素子でも大容量であり、電流容量が必要な場合に素子を多数並列に組み合せる必要がなく、電源装置を小型化することもできる。
第4図は、この発明による放電加工用電源装置の実施の形態2の回路構成を示している。なお、第4図において、第1図に対応する部分は、第1図に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。
この実施の形態では、第1のスイッチング回路2の放電維持電流IRのための直流電源とダイオードD1、D2の直流電源とが共通の直流電源V2により構成されている。ダイオードD1、D2の並列回路と直列に、抵抗器R2、半導体スイッチング素子S6が接続され、抵抗器R2と半導体スイッチング素子S6の直列回路に対して並列に平滑用コンデンサC2が接続されている。半導体スイッチング素子S6はPWM制御回路3によりPWM制御される。
直流電源V2の出力電圧は、抵抗器R1、ダイオードD1、D2を介して、平滑用コンデンサC2の両端にかかる。PWM制御回路3は、平滑用コンデンサC2の両端にかかる電圧をフィードバックしながら、外部から設定される基準電圧Vrefとの差を検知し、抵抗器R2と直列に接続されたスイッチング素子S6をPWM制御することにより、平滑用コンデンサC2の両端電圧を設定した所望の値に定電圧制御する。
直流電源V2の出力電圧と平滑用コンデンサC2の両端電圧の電圧差は、抵抗器R1で受け持つため、回路中の損失を無視すれば、極間に現れる電圧は平滑用コンデンサC2の両端電圧となる。つまりここでは、極間に印加する電圧はPWM制御回路3によって可変設定できるので、直流電源V2の出力電圧は可変電圧である必要はない。
つぎに、上述の如き構成による実施の形態2の動作について説明する。極間が放電、短絡していない状態において、第1のスイッチング回路2のスイッチング素子S2、S3をオフとし、半導体スイッチング素子S1、S4を同時にオンすると、平滑用コンデンサC2の両端電圧が極間に現れる。同時に、回路中の浮遊容量C1は平滑用コンデンサC2の両端電圧まで充電される。なお、既にダイオードD1、D2には、直流電源V2、抵抗器R1、ダイオードD1、D2、平滑用コンデンサC2、直流電源V2へと、順方向電流Ifが流れる。
放電が発生すると、平滑用コンデンサC2の両端電圧よりも極間電圧の方が低くなるため、ダイオードD1、D2の両端電圧が逆方向に極性反転し、ダイオードD1、D2に対する順方向電流Ifの供給は絶たれ、逆回復電流Irrが発生する。この逆回復電流Irrは、ダイオードD1、D2、スイッチング素子S1、回路インダクタンスL1、被加工物W、電極E、回路インダクタンスL2、スイッチング素子S4、平滑用コンデンサC2、ダイオードD1、D2へと流れる。これにより、逆回復電流Irrが極間に出力される。これより以降の動作は、実施の形態1と同様となる。従って、実施の形態2においても、実施の形態1と同様の効果が得られる。
第5図は、この発明による放電加工用電源装置の実施の形態3の回路構成を示している。なお、第5図においても、第1図に対応する部分は、第1図に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。
この実施の形態では、直流電源V3が、第1のスイッチング回路4の直流電源V1や抵抗器R1と直列に、第1のスイッチング回路4の主回路中に設けられ、ダイオードの逆回復電流を発生する回路は、並列接続のダイオードD1とD2が直流電源V3と抵抗器R1と並列に接続され、直流電源V3、抵抗器R1によりダイオードD1、D2に順方向電流を流す電流ループを形成している。なお、直流電源V3の発生電圧は直流電源V1の発生電圧より低い値に設定される。
上述の回路では、半導体スイッチング素子S1、S4がオンすると、直流電源V1から印加される電圧により、ダイオードD1、D2が逆バイアスされ、これに伴いダイオードD1、D2に逆回復電流Irrが発生する。この逆回復電流Irrを実施の形態1と同様に第2のスイッチング回路10によって出力される加工電流よりも先に電極Eと被加工物Wとの間の極間間隙に出力する。
これにより、放電開始電流IC出力後、第2のスイッチング回路10を通じて放電加工電流ISが供給される前に、逆回復電流Irrを極間に流すことができ、極間電流が途切れるのを防ぐことができる。従って、実施の形態3においても、実施の形態1と同様の効果が得られる。
実施の形態3の回路構成では、第2のスイッチング回路10から第1のスイッチング回路4側を見た場合に、抵抗器R1とダイオードD1、D2とが並列に接続されているようにみえる。このとき、第2のスイッチング回路10から第1のスイッチング回路4に向かう向きが、ダイオードD1、D2の順方向であるため、第2のスイッチング回路10から供給される電流の一部がダイオードD1、D2を通じて直流電源V1に流れ込み、悪影響を及ぼす可能性がある。これを回避するために、実施の形態3では、直流電源V1の出力に第2のスイッチング回路10からの電流流入を阻止するダイオードD3が設けられている。
以上に説明したように、実施の形態1〜3では、放電開始電流ICの出力後、第2のスイッチング回路10を通じて放電加工電流ISが供給される前に極間電流が途切れるのを防ぐために、ダイオードD1、D2で発生した逆回復電流Irrを用いる構成になっている。
これにより、放電加工における予備放電から加工電流投入までの遅れ時間の期間中、極間に形成された導電路を消滅させることなく安定に維持し続けることができ、加工電流投入失敗による加工効率の低下を防止でき、電極線の不要な断線も抑制することができるようになり、加工効率や加工速度を向上する効果がある。また、予備放電から滑らかに加工電流を投入することによって加工面の荒れを抑制し、加工精度や加工品質を向上する効果も得られる。
また、前述したように、スイッチング応答時間の比較的低速な大容量素子も使用できるようになるため、素子数を低減でき、電源装置自体も小型化が図れ、安価に提供できるようになる。
第6図は、この発明による放電加工用電源装置の実施の形態4の回路構成を示している。なお、第6図においても、第1図に対応する部分は、第1図に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。
この実施の形態では、予備放電電流を強化するためのコンデンサC3が設けられ、直流電源V3、抵抗器R1、コンデンサC3により、コンデンサC3の充電ループが第1のスイッチング回路5に形成されている。
つぎに、上述の如き構成による実施の形態4の動作について説明する。第1のスイッチング回路5、および第2のスイッチング回路10が動作する以前に、電源V3、抵抗器R1、コンデンサC3の電流ループによりコンデンサC3が充電される。つぎに、第1のスイッチング回路5の半導体スイッチング素子S1、S4が同時にオンすることにより、コンデンサC3に充電された電荷が放出され、スイッチS1、S4を通じて極間に供給される。
これにより、実施の形態1〜3に記したダイオード逆回復電流を極間に供給する場合と同様に、第2のスイッチング回路10を通じて放電加工電流ISが供給される前に、極間電流が途切れるのをコンデンサからC3の放電電流を用いて防ぐことができ、実施の形態1〜3と同等の効果が得られる。
産業上の利用の可能性
ワイヤカット放電加工装置等の放電加工装置のパルス通電用の電源に用いるのに適している。
【図面の簡単な説明】
第1図は、この発明による放電加工用電源装置の実施の形態1を示す回路構成図であり、第2図(a)〜(c)は、ダイオードの逆回復電流の原理について示す説明図であり、第3図は、この発明の実施の形態1の放電加工用電源装置の動作によって得られる電流波形を示した図であり、第4図は、この発明による放電加工用電源装置の実施の形態2を示す回路構成図であり、第5図は、この発明による放電加工用電源装置の実施の形態3を示す回路構成図であり、第6図は、この発明による放電加工用電源装置の実施の形態4を示す回路構成図であり、第7図は、従来例の放電加工用電源装置の回路構成図であり、第8図は、従来例の放電加工用電源装置の動作原理と電流波形を示した図である。
Claims (7)
- それぞれ並列に接続された第1のスイッチング回路と第2のスイッチング回路を備え、電極と被加工物との間の極間間隙に先ず前記第1のスイッチング回路から、つぎに、前記第2のスイッチング回路からパルス電流を供給し、前記電極と被加工物との相対位置を制御しながら放電加工を行う放電加工機用の電源装置において、
放電を発生させるための電圧を出力すると同時またはそれ以前に、ダイオードに順方向電流が供給されるダイオードと抵抗器を含む電流ループを有し、放電が発生した瞬間に前記ダイオードに対する順方向電流の供給が遮断され、前記ダイオードの逆回復電流を電極と被加工物との間の極間間隙に出力することを特徴とする放電加工用電源装置。 - 前記ダイオードに対する順方向電流の供給遮断を行う半導体スイッチング素子を有することを特徴とする請求の範囲第1項に記載の放電加工用電源装置。
- 放電が発生した瞬間に前記ダイオードの両端に逆方向の電圧がかかる回路構成とされ、このときに発生するダイオードの逆回復電流を電極と被加工物との間の極間間隙に出力することを特徴とする請求の範囲第1項に記載の放電加工用電源装置。
- 前記ダイオードが並列、もしくは直列に複数設けられていることを特徴とする請求の範囲第1項に記載の放電加工用電源装置。
- 前記ダイオードに順方向電流を供給する直流電源は前記第1のスイッチング回路あるいは前記第2のスイッチング回路を構成する直流電源以外に、別の直流電源が設けられていることを特徴とする請求の範囲第1項に記載の放電加工用電源装置。
- 前記ダイオードの順方向電流は、前記第1のスイッチング回路の直流電源から供給されるよう回路構成されていることを特徴とする請求の範囲第1項に記載の放電加工用電源装置。
- それぞれ並列に接続された第1のスイッチング回路と第2のスイッチング回路を備え、電極と被加工物との間の極間間隙に先ず前記第1のスイッチング回路から、つぎに、前記第2のスイッチング回路からパルス電流を供給し、前記電極と被加工物との相対位置を制御しながら放電加工を行う放電加工機用の電源装置において、
放電を発生させるための電圧を出力すると同時またはそれ以前にコンデンサを充電する、コンデンサと抵抗器を含む電流ループを有し、放電が発生した後に前記コンデンサからの放電電流を前記第2のスイッチング回路によって出力される加工電流よりも先に電極と被加工物との間の極間間隙に出力するよう構成されていることを特徴とする放電加工用電源装置。
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